DISCRETION MAGNETIQUE DES MACHINES ELECTRIQUES DE PROPULSION NAVALE

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DISCRETION MAGNETIQUE DES MACHINES ELECTRIQUES DE PROPULSION NAVALE

Benoît Froidurot

To cite this version:

Benoît Froidurot. DISCRETION MAGNETIQUE DES MACHINES ELECTRIQUES DE PROPUL- SION NAVALE. Sciences de l’ingénieur [physics]. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2002. Français. �tel-00473509�

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE

Naattribué par la bibliothèque

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THESE

pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L'INPG

Spécialité: «Génie électrique»

Préparée au sein du Laboratoire de Magnétisme du Navire et au Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble

dans le cadre de l'Ecole Doctorale

«Electronique, Electroteclmique, Automatique, Télécommunication, Signal»

présentée et soutenue publiquement par

Benoît FROIDUROT

Ingénieur ENSIEG Le 30 septembre 2002

DISCRETION MAGNETIQUE DES MACHINES ELECTRIQUES DE PROPULSION NAVALE

Directeur de thèse: Albert FOGGIA

Madame C.RANNOU Préside!'te

Madame L. L. ROUVE Examinatrice

Messieurs F. PIRIOU Rapporteur

B. NOGAREDE Rapporteur

A. FOGGIA Examinateur

"'ô/P?:JV

1 1

SLN3:W3:IJlI3:WIDI

Remerciements

Remerciements

Voici donc l'épreuve finale qui conclut trois années de travail. Trois ans où énormément de monde a partagé mes joies, mes coups de gueule, mes coups de blues et surtout les parties de rigolade. Chapitre difficile qui est lu en premier par les connaissances et où il ne faut décevoir personne. Je me concentre ...

De façon à rester organisé, je vais procéder par étapes. Je vais commencer mes remerciements avec les relations professionnelles.

Ma première intention va naturellement à Laure Line qui m'a apporté énormément sur un plan professionnel et qui désespère toujours de m'apprendre une formule mathématique.

Les rares escarmouches ont vite été balayées par son rire sonore et communicatif autour d'un café. Je tenais à préciser que sa participation à ce travail a été plus qu'importante. Bien sûr, je souhaite tout le bonheur possible et la santé àla toute jeune Louise et au petit Gaspard.

Partons maintenant en Italie pour remercier mon directeur de thèse Albert Foggia. On comprend énormément de choses sur les machines électriques et les champs magnétiques lorsque ce sont les mains qui en parlent. ..

Je tiens aussi à remercier Corinne RANNOU qui a présidé mon jury de très belle façon, ainsi que messieurs PIRIOU et NOGAREDE qui ont eu la lourde tache de corriger ma thèse.

Je me tourne maintenant vers les personnes du LMN. Merci à Jean Paul et ses conseils avisés. Les explications de Jean Louis ont aussi été de grand secours. Merci àHervé et toutes les manips qu'il a monté à Herbeys. Je garde d'excellents souvenirs des voyages en camion avec un bateau sur le toit et les yeux ahuris des automobilistes. De même pour les apéros du vendredi à 11h30 et des repas de noël toujours copieux et arrosés par le champagne de Gilou.

Je n'oublie pas Philippe, sa gentillesse et ses installations sur les capteurs. Et enfin, merci au très prometteur Olivier, déjà cité dans de nombreuses conférences (Il a horreur qu'on parle de lui comme ça... ). Bonne chance à Sébastien qui a repris seul le flambeau des thésards du LMN.

Mes relations au LEG ont été tout aussi excellentes. Merci d'abord à Jean Pierre et Pascal qui m'ont accueilli dans leur équipe. Merci à Patrice pour avoir résolu nombre de mes problèmes en modélisation. Je dois aussi une grosse partie du travail à Gérard qui a été au centre du développement de notre méthode de calcul. Les coups de main de Djidji et le savoir de Bruno ont été de grand renfort. Bien sûr, comme l'informatique est au cœur du travail, je dois beaucoup aux administrateurs.

Merci maintenant aux collègues qu'il a fallu que je me tape tous les jours, avec plaisir cela va de soit. Il a été facile d'aller au boulot tous les matins sachant qu'on aurai au minimum une heure de rigolade dans la journée. Je pense particulièrement aux personnes de la plate forme CDI : Max, Jean Mich, Loïg (oui, avec un «g»), P'tiBen, Lole et son accent, Vince, Franck et mon phénoménal voisin de droite: David. Et aussi Laurent, le doyen de la salle qui n'a toujours pas trouvé le moyen de nous calmer. Un clin d'œil à Bertrand qui n'a jamais cessé de me rappeler ma grande taille chaque matin et dont la joie est de servir la science. Je pense aussi aux deux jeunes papas: Eric et Armando qui pouponnent leurs petites filles. Je n'oublie pas tous les autres thésards du LEG que j'ai côtoyé et dont il m'est impossible d'en citer la totalité (Jimmy, Goubs, Martin, Guillaume (x2), CCM, Ivan, Seb, Raph, Michael, Olivier, Coralie, Christophe, Nadège ... )

Thèse INPG

Remerciements

Parmi le personnel du laboratoire, je pense qu'une simple liste de noms me simplifiera la tâche. Commençons par les dames: Flo, Marie-Thérèse, Danielle, Monique, Elise, Jacqueline, Etiennette, Edith et Afef. Malheureusement, les hommes sont trop nombreux pour être tous nommés. Comme ils sont tous des gentlemen, ils ne m'en voudront pas ...

Maintenant, mes remerciements prennent un caractère plus personnel. En effet, je dois cette réussite essentiellement à mes parents. Ils assurent la logistique technique, financière et morale depuis plus de 27 ans et continuent à le faire de la plus belle manière. La recette est simple: de bons petits plats sur de grandes et belles tables, quelques grands crus de Bourgogne et quelques baffes de temps en temps pour remettre sur les rails. Mes deux frères, Damien et Laurent ont eux aussi testé la méthode, et l'ensemble est devenu une famille qui m'a soutenue dans mon travail et dans mes moments difficiles. Je fais aussi un petit clin d'œil à Céline.

Il y a aussi toute ma grande famille : mes oncles, mes tantes, mes cousins et cousines, mais la liste est encore une fois trop longue... En revanche, je voulais citer mes deux grands- mères, Renée et Jeannette, et j'ai une pensée particulière pour mes deux grands-pères dont l'absence est toujours aussi douloureuse: Marcel, ses combines et ses peintures et André, ses grands yeux bleus et ses blagues.

J'adresse une intention particulière à toute la famille Saas, qui est véritablement devenue ma famille d'adoption grenobloise. Des personnes généreuses et débordant de gentillesse à qui je dois beaucoup. Mon ami Matthieu a hérité de ces qualités et me les fait partager sans limites depuis plus de 7 ans maintenant. J'espère continuer longtemps à partir en virée avec lui dans les bars et les boites grenobloises, accompagnés de Ludivine. J'en profite pour souhaiter un beau petit à Greg et Caro dans quelques mois. A propos, je souhaite à Matéo de ressembler à ses parents si sympathiques et joviaux, Paco et Laure.

Et il Y a les copains, tous les collègues de promo qui sont là aussi bien pour déconner et boire de canons que pour se serrer les coudes. Parmi eux, Rodolphe et Matthieu, Fab et Matt, P'tilu, Xav, Luce, Sandrine, Juliette, Guiche, Karim et les autres ... C'est ensemble qu'on pense encore à notre amie Cécile disparue tragiquement à 24 ans un soir de noël. Son sourire et ses blagues nous manquent et je tenais à lui dédier ma thèse.

Mon ami de maternelle Vincent et toute sa famille m'ont toujours été très sympathiques depuis l'âge de trois ans et j e tenais à leur en témoigner.

Je n'oublie pas non plus les copains du rugby, mes entraîneurs, Olive, Eric et Lolo avec son fameux «cadrage débo », Dom et Colette, René, Manu, Tony, Jean Marc, Sylvain et tous les Catalans. Je suis persuadé que certains plaquages rugueux permettent de trouver des solutions au magnétisme du navire et donc de servir la science.

Pour finir, je voulais remercier les familles ChinaI et Magnat avec qui j'ai passé d'agréables moments durant ces trois ans. Leur accueil chaleureux et sympathique m'a toujours revitalisé. La chasse, les observations de bouquetins et de chamois et les balades en jeep m'ont très souvent permis de décompresser des problèmes de modélisation. J'ai eu un véritable plaisir à côtoyer Aristide, ses explications techniques et ses randonnées de Ilh (increvable l'ancien), Odille sa gentillesse et ses excellentes sauces «triées» (je ne sais toujours pas ce que ça veut dire, mais c'est bon ... ), la petite Clarinette et son ENISE, Léa et Charlotte pour leurs attentions culinaires (les figolus, les caillettes et les essais de gateaux) ou encore Sylvain et ses histoires passionnantes agrémentées de «p'tits canons ». J'ai aussi une pensée pour Robert, véritable encyclopédie de la résistance dans le Vercors que j'écoutais

Remerciements

Il me reste à coller une bise à la personne qui a partagé ma vie durant ces trois années.

Son dynamisme, son sourire et ses beaux yeux bleus ont rythmé mes soirées et mes week- ends. J'avoue que quelquefois j'aurai eu besoin de me poser quelques minutes, mais elle m'a fait passer trois ans à une vitesse phénoménale. Nos aventures, nos randonnées, nos voyages et nos moments de joie ont été de vrais bonheurs. Elle m'a fait découvrir et partager la montagne et toutes ses sensations extraordinaires que je conserve précieusement. Elle a désespéré de voir mes gamelles dans la poudreuse et elle a même assisté hilare à mes premiers pas sur des skis de fond qui faisaient, soit disant, penser à la naissance de Bambi.

Tout cela pour arriver au fait que j'espère lui avoir apporté autant qu'elle l'a fait pour moi et je garde soigneusement en tête le mont Aiguille, le grand Veymont et ses bouquetins, la Suisse, les traversées du Vercors et de la Chartreuse, la majestueuse aiguille Doran, la dent Parrachée, l'église de St Pierre d'Extravache, le lac du Mont Cenis, la statue de Termignon, le ski de fond à Bessans, la vue de l'Ouille de Tierce, le Thabor, la vallée Clarée et les Cerces, le roc rouge, Polset, Valfréjus et toute la Maurienne qui sont pour moi indissociables de la jolie Jeannie.

Thèse INPG

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Table des matières

INTRODUCTION 1

CHAPITRE 1 CONTEXTE DE L'ETUDE .4

1. INTRODUCTION 4

II. LE NAVIRE TOUT ELECTRIQUE 5

11.1. AvANTAGES ET INCONVENIENTS DE LA PROPULSION ELECTRIQUE 6

II1.a. Le navire civU 6

Il.1. b. Le bâtiment de marine 8

II.2. LA DISCRETION MAGNETIQUE 9

II2.a. Lafurtivité 9

II2.b. Les sources d'anomalie magnétique 11

II.2.c. Contexte naval de la discrétion magnétique 12

II.2.d. Objectifs du travail de recherche 13

III. LES MOTEURS ELECTRIQUES 13

111.1. FONCTIONNEMENT GENERAL DES DlFFE~ENTS TYPES DE MOTEURS

ELECTRIQUES 13

III I.a. La machine à courant contùlLl 13

IIII.b. La machine synchrone 14

IIJ.I.c. La machine asynchrone ou à induction 15

111.2. LES MACHINES SYNCHRONES A AIMANTS PERMANENTS 16

III2.a. Avantages pour la propulsion 16

IIJ.2.b. Structures de machines à aimants permanents 17

III2.c. Sources deflux 20

IV. ETAT DE L'ART DE L'ANALYSE DES CHAMPS DE FUITES

EXTERNES 21

v. CONCLUSION 22

CHAPITRE 2 METHODE DES MOMENTS ETUDE ET VALIDATION . ...23

1. INTRODUCTION 23

II. NECESSITE D'UN NOUVEAU MODELE 24

11.1. HYPOTHESES DU MODELE 24

II.2. CALCUL DE CHAMP PAR LES ELEMENTS FINIS 24

1I.2.a. Modèle éléments finis 24

1I.2.b. Approche discrète de la variable calculée 25

II.2.c. Eq uations d'Ullproblème magnétostatique 26

IU.d. Maillage : 28

1I.2.e. Lesfonctions deforme 28

1I.2,f Calcul dans tout l'espace 29

II.3. LIMITE DES ELEMENTS FINIS ; 29

lI.3.a. Définition d'un problème élémentsjinis 29

II.3. b. Problématique 30

III.

I1Ll.

111.2.

l11.2.a.

l11.2.b.

lI1.2.c.

111.3.

IlIA.

IV.

IV.1.

IVi.a.

IV/.b.

IV/.c.

IV.2.

IV2.a.

IV2.b.

IV2.c.

IV2.d.

IV.3.

IV.3.a.

IVA.

IV4.a.

IV4. b.

IV4.c.

METHODE DES MOMENTS MAGNETIQUES 31

UTILISATION DE FLUx3D 31

RApPELS DE MAGNETiSME 32

L ·aimantation 32

Les moments magnétiques 33

Ca/cul du champ émis 34

CONSTRUCTION DU MODELE 35

COMPARAISON AVEC FLUx3D STANDARD 36

MOYENS DE MESURES MAGNETIQUES 37

MESURES DE CHAMPS FAIBLES 37

Les perturbations magnétiques en milieu urbain 37

LeLMMCF 38

Capteurs et acquisition 39

MOTEUR ETUDIE POUR LA VALIDATION 40

Caractéristiques géométriques et magnétiques du moteur étudié 40

Les aimants au rotor , 4/

Bobinage 4i

Alimentation des bobinages 42

MODELISATION DU MOTEUR 44

La méthode des moments 44

PROTOCOLE DE MESURES 47

Directions des axes de mesure: 47

Position des capteurs 48

Exploitation des mesures 49

v. ^{VALIDATION 53}

V.l. MESURES SUR LE ROTOR SEUL ...•....53

vJ.a. Mesures autour du rotor dans le plan de symétrie 54

V J.b. Mesures sur l'axe parallèle à l'axe du rotOl' , 56

V J.c. Analyse de Fourier 56

V.2. MESURES SUR LE STATOR SEUL 58

V2.a. Mesures autour du stator dans le plan de symétrie 58

V2.b. Mesures sur l'axe parallèleàl'axe du rotor 62

V.3. MESURES SUR LE MOTEUR COMPLET 64

V3.a. Mesures sur l' axe radial 65

VI. CONCLUSION SUR LA VALIDATION DU MODELE 80

CHAPITRE 3 APPLICATIONS DU MODELE 81

1. INTRODUCTION 81

II. ETUDE DES PARAMETRES INTRINSEQUES 82

11.1. ETUDES DES BOBINAGES 82

II.l.a. Différents types de bobinages 82

II. J.b. Analyse des différentes signatures 84

11.2. CHOIXDE REPARTITIONS DES AIMANTATIONS PERMANENTES DES AIMANTS LE

LONG DES POLES DU ROTOR 85

II.3. INFLUENCE DES PERMEABILITES DES PARTIES FERROMAGNETIQUES SUR LA

SIGNATURE 87

Il.3.a. Effets des aimants 87

fI.3.b. Effets des courants 89

fI.3.c. Conclusion 89

1

1

i

11-- .

III.

IILI.

111.2.

lII.2.a.

lII.2.h.

lII.2c.

lII.2.d.

lII.2.e.

lII.2f lII.2.g

111.3.

lII3.a.

lI1.3.h.

IV.

IV.I.

IV.l.a.

IV.l.h.

V.

MOTEUR EN ROTATION 90

NECESSITE D'UN MODELE DyNAMIQUE 90

CONSTRUCTION DU MODELE DYNAMIQUE 90

Fonctionnement du moteur. .. .. 90

Dissociation des moments.. . 91

Source magnétique.' aimants. .. . 92

Source magnétique.' courants... . 93

Superposition 94

Assemblage des modèles 96

Réduction du modèle dynamique 96

ApPLICATIONS DU MODELE DYNAMIQUE 99

Influence de l'angle de déphasage 99

Influences des harmoniques 1Dl

ETUDE DES DECROISSANCES DE L'INDUCTION 103

COMPARAISON DU MODELE AVEC LES MESURES 103

Comparaisons entre modèle et mesures 103

Analyse multipolaire : 105

CONCLUSION 108

CHAPITRE 4 ETUDE THEORIQUE DE LA COMPENSATION 109

1.

II.

ILL II.2.

INTRODUCTION 109

LES TYPES DE BLINDAGES 110

LES BLINDAGES PASSIFS 110

LES BLINDAGES ACTIFS 110

III.

IILI.

111.2.

111.3.

IlIA.

lI1.4.a.

lI1.4.b.

PROPOSITION DE BLINDAGE ACTIF 110

LE REGIME DE FONCTIONNEMENT 110

CALCUL ANALYTIQUE DE L'INDUCTION TOTALE 111

BOBINAGE DE COMPENSATION 112

ETUDE DE LA COMPENSATION 114

Etude de l'atténuation selon la distance de calcul 115

Champs compensés en fonction du rayon du bobinage de compensation J16

OZI··· NOISn.:JNO:J

611··· NOISIl'"IJNO:J

'AI

NOILJilaOllLNI

Illtl'Oductiol7

Introduction

Depuis une dizaine d'années, le concept de navire tout électrique prend une importance toute particulière qui a conduit à un grand nombre de réalisations à la fois civiles et militaires. Le principe est de faire de l'électricité l'unique vecteur de transport de la puissance sur les navires. Les groupes principaux de production d'énergie électrique sont communs àtous les consommateurs de bord (appareils propulsifs, réseaux électriques de bord, annes futures ... ). Par conséquent, la propulsion navale électrique a subi un essor considérable ces dernières années et plusieurs navires civils sont déjà propulsés électriquement.

Ce type de propulsion présente de nombreux avantages en termes de maniabilité du bâtiment, de maintenance ou encore de bruit acoustique. Bien sûr, les marines militaires se sont intéressées à ce moyen de propulser les navires. Cependant, d'autres contraintes sont apparues. Parmi ces contraintes, la discrétion magnétique du bâtiment est directement liée à l'utilisation d'un moteur électrique qui intrinsèquement crée autour de lui des champs magnétiques basses fréquences pouvant être détectés.

La discrétion magnétique est une préoccupation permanente de la Marine depuis la seconde guerre mondiale. A l'époque, des mines dont le déclenchement était basé sur la variation du champ magnétique terrestre sont apparues, causant de graves dommages. En effet, les bâtiments sont constitués principalement de matériau ferromagnétique qui s'aimante sous l'effet du champ magnétique terrestre, créant à leur tour un champ (anomalie locale) source d'indiscrétion. Ces techniques de détection ont été depuis améliorées ainsi que les techniques de contre mesure. Ces dernières consistent à compenser l'anomalie magnétique des navires avec des boucles de courants placées à bord. Ce sont les boucles d'immunisation (CHADEBEC 01] dont l'inventeur est Louis Néel.

Malgré tout, ces boucles d'immunisation sont prévues pour limiter la signature magnétique statique des bâtiments. Elles ne permettent pas de compenser les champs électromagnétiques basses fréquences, et notamment ceux émis par un moteur électrique. Des blindages existent pour compenser· ces champs, mais ils sont généralement conçus empiriquement et présentent une compensation non suffisante pour les niveaux de détection actuels, d'où un problème de sécurité pour le bâtiment (proximité d'une mine par exemple).

Aujourd'hui, il n'existe pas de méthode efficace et systématique pour compenser les champs externes d'une machine électrique. En conséquence, le besoin de rendre les machines électriques magnétiquement silencieuses est une des préoccupations majeures à la fois des constmcteurs et de l'ensemble des marines civiles et militaires. C'est le but de notre travail.

Thèse INPG ₁

Introduction

La démarche qui est suivie consiste tout d'abord à faire une étude des champs créés par une machine. Dans les études électrotechniques, il est peu commun de se préoccuper des fuites externes des machines électriques. Il est coutume de considérer ces fuites comme secondaires. Un modèle précis et efficace des champs externes d'une machine est mis en œuvre. Avec ce modèle, il est possible d'analyser les champs générés afin de les compenser efficacement. L'étude porte sur une machine électrique synchrone à aimants permanents. Ce type de machines est le plus probable pour la propulsion électrique des navires militaires à cause des fortes performances qu'elles présentent.

Ce mémoire est divisé en quatre parties concernant des études distinctes maIS complémentaires des champs créés par une machine électrique.

Le premier chapitre pose le contexte général de l'étude. Le concept du navire tout électrique et les différents aspects de la propulsion électrique y sont abordés. Parmi eux, les problèmes généraux de discrétion sont soulevés et plus particulièrement la discrétion magnétique basse fréquence avec les sources d'anomalie magnétique. Ensuite, une étude sur les différents types de machines permet de mettre en évidence les avantages des machines synchrones à aimants pour la propulsion électrique. Enfin, un état de l'art de la discrétion magnétique des machines électriques est exposé.

Le corps de l'étude est contenu dans le chapitre deux. Le besoin d'un nouveau modèle pour l'étude des champs magnétique externes est démontré ce qui a conduità l'établissement d'un nouveau modèle basé sur des moments magnétiques. Il permet de modéliser le moteur à un instant précis de son fonctionnement (modèle statique). Ce modèle est ensuite comparé avec des mesures dans un but de validation. Le protocole de mesure constitue une partie importante du chapitre. Avec les comparaisons, quelques analyses sont présentées notamment sur l'état magnétique des matériaux.

Avec ce nouveau modèle satisfaisant, le chapitre trois montre ses applications. Avant de procéder àdes études de blindages, nous étudions l'effet des paramètres intrinsèques sur la signature, tels que les pelméabilités des matériaux ou l'effet de différents types de bobinages, de façon àobtenir une machine la plus magnétiquement discrète possible.

Ensuite, le modèle initialement statique, est développé vers un modèle dynamique dans le but de faire apparaître des effets temporels sur la signature. Ce modèle prend aussi en compte l'angle de déphasage entre les deux champs rotor et stator de la machine et permet de modéliser son influence sur la signature magnétique. Enfin, ce chapitre présente une étude sur l'ordre de décroissance de l'induction en s'éloignant de la machine. Ce point est important par la suite pour la propagation des champs dans le milieu sous marin. Le moteur est identifié avec des ensembles élémentaires de dipôles, ce qui ouvre sur une étude de la compensation des champs.

11 .

Introductioll

Cette compensation est présentée dans le chapitre quatre. Une proposition de système de compensation est faite sur un blindage actif constitué de bobines disposées autour du moteur. Les courants d'alimentation sont étudiés ainsi que l'encombrement du système. Ce blindage fait effet seulement d'une étude théorique et des mesures ultérieures pourront être prévues afin de valider cette technique.

La conclusion est un récapitulatif du travail effectué et donne des perspectives sur les études à venir.

Thèse INPG 3

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ChapitreJ Contexte de ['étude

Chapitre 1

1. Introduction

Contexte de l'étude

La tendance actuelle pour la propulsion des véhicules terrestres ou des bâtiments de la marine est tournée vers le mode électrique. Le secteur automobile en est le meilleur exemple.

Les constructeurs de voitures effectuent des recherches sur des véhicules hybrides ou électriques. Ceci correspond à une politique mondiale d'économies d'énergie et à des contraintes écologiques qui deviennent de plus en plus importantes dans notre société.

Beaucoup de transports en commun de grandes villes sont demandeurs de véhicules propulsés par des énergies dites propres. L'énergie électrique en est une.

Dans le domaine naval, l'électricité est déjà mise en œuvre sur des bateaux civils.

C'est le concept du navire tout électrique qui a été le sujet de plusieurs conférences et qui fait état de nombreux plans de recherche. Déjà, plusieurs paquebots de croisière sont équipés de façon" tout électrique" et d'autres sont actuellement en construction.

Au niveau de la propulsion, le développement de nouveaux moteurs électriques et de leurs systèmes de commande a rendu possible l'utilisation de cette énergie. Ce moyen de propulsion des bateaux présente de nombreux avantages majeurs. Bien sûr, les marines militaires sont intéressées par ces avantages, mais quelques inconvénients d'ordre stratégique surviennent avec le mode tout électrique. Le principal inconvénient concerne la furtivité des navires. Sur le plan acoustique, en comparaison avec les moteurs thermiques, le moteur électrique est plus discret. En revanche, en ce qui concerne la discrétion magnétique indispensable aux bâtiments de la Marine, les moteurs électriques présentent bien plus de champs de fuite, ce qui est un inconvénient majeur pour la furtivité des navires.

Les nouveaux aimants constitués à base de Terre rare ont des perforn1ances remarquables. Leurs puissances volumiques ont été augmentées avec la découverte de nouveaux modes de fabrication. Cette amélioration a conduit à une diminution considérable de la taille des moteurs électriques. Les rapports poids/puissance des moteurs ont été diminués.

De plus, de nouveaux types de moteurs avec des géométries particulières ont été imaginés et ont aussi contribué à la réduction des volumes et des poids.

1·

i

Thèse INPG ₄

Chapitre / Contexte de l'étude

II. Le navire tout électrique

L'électricité à bord des navires est un concept centenaire. En effet, dès 1900, les premières propulsions électriques étaient montées sur des appareils sous marins. Avec la

" Grande guerre ", le développement de ce type de propulsion a été appliqué aux navires de surface de l'US Navy et par la suite aux porte-avions au début des années 20. Les Etats Unis ont continué le développement de la propulsion électrique pendant la seconde guerre mondiale. Ce type de propulsion a laissé place à la propulsion thermique pour les navires de surface dans les années 50, plus compétitive notamment grâceàde nouvelles technologies de réducteurs mécaniques. L'élan donné àl'électronique de puissance dans l'industrie durant les années 60 n'a pas eu réellement de répercussion sur les flottes civiles ou militaires. Seulement quelques navires de recherche ou encore des brise-glaces ont profité du mode électrique de propulsion.

Le concept de navire tout électrique (NTE) est apparu au début des années 90 sur des navires de croisière. Un intérêt supplémentaire a émergé avec l'application de ce concept aux marines militaires. En France, les premières études sur la propulsion électrique militaire de plus de 20MWatts par ligne d'arbre ont commencé en 1987. De 1992 à 1994, une étude sur la conception de futurs systèmes concernant le concept tout électrique a été engagée. Les premiers développements ont été lancés en 1995, tandis qu'un programme préparatoire sur le navire tout électrique s'est établi en 1997. Ce programme est devenu un projet de la DGA depuis 1998 [LEBRETON 00].

Le NIE a été le sujet de plusieurs conférences internationales depuis 1995. Ces conférences ont été le moyen de montrer les avantages et les inconvénients de bâtiments exclusivement équipés d'appareils électriques. Les contraintes de coût, de fiabilité et de rendement y ont été étudiées. Elles ont aussi permis de définir des coopérations entre partenaires de l'OTAN afin de mettre en commun les connaissances technologiques et mener à bien le projet. Déjà, des nouveaux" Ferry-boat" ainsi que quelques navires de croisières utilisent exclusivement le mode électrique de propulsion.

Lors de ces conférences, des discussions ont notanunent porté sur la faisabilité et les intérêts de navires militaires tous électriques [NIENHUIS 00]. Les bâtiments civils n'ont pas de contraintes aussi ardues que les vaisseaux de guerre. Des études techniques et économiques sont de nos jours en cours pour favoriser le mode électrique dans le grand renouvellement des frégates françaises prévu pour 2008 [LETOT 00].

ChapitreJConte.;-.;te de l'étude

1/.1. Avantages et inconvénients de la propulsion électrique

11.1.a. Le navire civil

Le moteur diesel est au cœur des systèmes de propulsion classique. Les principaux inconvénients de ce type de propulsion directement palliés par une propulsion électrique sont la pollution et le bruit acoustique. Le fait de monter des moteurs électriques au cœur de la chaîne de propulsion présente un certain nombre d'autres intérêts au niveau civil.

La relative petite taille des moteurs électriques par rapport aux moteurs thermiques classiques est un grand atout [RADAELLI 97]. Elle offre la possibilité de réduire la chaîne de propulsion en enlevant quelques éléments des lignes d'arbre tels que des joints de cardan, des renvois d'angle ou d'autres systèmes d'engrenages pour la transmission (Fig. JI-l). De plus, le moteur électrique et ses circuits de commande permettent la suppression des réducteurs et des variateurs de vitesse mécaniques. Tout cela diminue le poids total et le volume de toute la chaîne de propulsion, avantage considérable à bord. Les pertes mécaniques et de température dans chaque élément de transmission ou de réduction sont donc diminuées. Le rendement total de la chaîne de transmission et sa fiabilité s'en trouvent ainsi améliorés [PARKER 97].

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Fig. II-l Diminution de la ligne d'arbre [LETELLIER 00]

La petite taille des moteurs électriques offre aussi la possibilité d'installer le moteur dans une nacelle, aussi appelée POD (Fig. II-2). Un POD est doté d'un mouvement de rotation d'axe vertical qui pennet de contrôler la direction de l'hélice dans le plan horizontal.

Le gouvernail est alors supprimé et la maniabilité du bateau est améliorée (Fig. II-3). De plus, la transmission de puissance est directe sur l'arbre du moteur (fiabilité et rendement encore améliorés) .

Thèse INPG 6

Chapitre JContexte de {'étude

Fig. II-2 Moteurs montés en Nacelle ou POD (Photo American Superconductor)

Fig. II-3 Suppression du gouvernail par montage en POD [LETOT 00]

D'un point de vue mécanique, les moteurs de propulsion navale sont prévus pour tourner à des vitesses de rotation lentes. Les performances d'un moteur électrique à faible vitesse sont nettement meilleures que celles d'un moteur diesel. Les moteurs électriques à grand nombre de paires de pôles sont nominalement conçus pour tourner à de faibles vitesses de rotation. Pour une machine synchrone, la relation entre la fréquence f des courants d'alimentation et la vitesse de rotationn du moteur dépend du nombre de paires de pôles P.

Qlrlmin

60· 1Hz P

Chapitre 1 COll texte de l'étude

Autre avantage, les temps de réponse d'un moteur électrique sont beaucoup plus rapides. L'inversion du sens de rotation se fait aussi plus facilement. Le bateau se contrôle alors plus aisément et la maniabilité est encore une fois améliorée.

Enfin, les moteurs électriques sont pilotés par des grandeurs physiques facilement mesurables. L'analyse de ces grandeurs physiques est utile pour la localisation de défauts ou d'anomalies dans la machine et facilite donc les opérations de maintenance.

Bien sûr, quelques inconvénients se dégagent dans ce mode de propulsion. Tout d'abord, le coût des matériaux de construction (aimants, cuivre ... ) d'un moteur électrique est plus élevé. Cet élément est important dans le cadre d'une industrialisation.

Pour la maintenance des moteurs, les opérateurs doivent être d'une meilleure qualification [BARLAS 00].

11.1.b. Le bâtiment de marine

Tous les avantages cités pour les navires civils s'appliquent aussi aux bâtiments de guerre. Cependant, d'autres contraintes apparaissent sur ces navires qui n'ont pas lieu d'être sur des navires civils [NORTON 00).

Les équipements militaires en général doivent présenter une certaine résistance aux chocs. La construction élémentaire du moteur électrique le dote d'une indéniable robustesse non négligeable pour un matériel de combat. Dans le cas d'une détérioration lors d'une attaque, le moteur électrique est capable de fournir un fonctionnement dégradé permettant la survie du bâtiment et des marins. Par opposition, un moteur diesel est constitué d'ensembles mécaniques plus élaborés (pistons, bielle, soupapes ... ) et est donc plus vulnérable. Sa construction est donc elle même rédhibitoire quand à sa résistance aux chocs. Un moteur diesel endommagé à moins de chance de fonctionner en mode dégradé.

La diminution des lignes d'arbres et des dispositifs mécaniques entourant un moteur diesel diminue la probabilité de panne lors d'un choc et donc diminue la vulnérabilité du naVIre.

Un autre point mécanique intervient comme un avantage pour le moteur électrique. En effet, le moteur thermique est essentiellement constitué de pièces mobiles en contact, ce qui provoque une certaine usure du moteur, alors que la partie mobile en rotation des moteurs électriques est montée sur des roulements.

La température est un élément important pour éviter la détection du bâtiment. Bien sur, un moteur à combustion interne chauffe énormément par rapport à un moteur électrique et est plus facilement détectable par infra rouge.

La réduction du bruit acoustique occasionnée par la propulsion électrique est un atout majeur pour un navire de guerre. Il est en effet très facile d'imaginer l'amélioration apportée par rapport à une propulsion diesel, non seulement sur le plan acoustique mais également sur le plan vibratoire. Certaines teclmiques de dimensionnement et de construction permettent aussi de réduire les vibrations des machines électriques [DEROU 92).

Thèse INPG 8

Chapitre 1 Contexte de l'étude

1/.2. La discrétion magnétique

Il.2.a. La furtivité

La furtivité est un élément essentiel pour un bâtiment de guerre. Celle-ci se présente sous différents aspects. La discrétion acoustique est essentielle notamment pour les sous marins. La propagation du son dans l'eau est en effet plus rapide que dans l'air. La distance de détection acoustique est alors très grande. Le développement de sons dans l'eau doit donc être complètement maîtrisé ce qui fait appel àdes études techniques très pointues. Par exemple, la coque des sous marins est usinée de façon àéviter toute turbulence sur le bâtiment. L'aspect hydrodynamique intervient, mais aussi l'aspect acoustique.

Fig. II-4 Corvette furtive à facettes (www.naval-technology.com)

Un autre moyen de détection des navires est le radar (Fig. II-S). Le principe du radar consiste à envoyer des ondes électromagnétiques hautes fréquences dans une direction donnée. La présence d'un bâtiment est détectée si cette onde est réfléchie et revient à sa

&ource. La technique moderne est à attribuer aux Anglais durant la seconde guerre mondiale.

Pour éviter d'être détecté, le navire doit donc avoir une signature radar très faible. Le moyen de contre mesures radar est d'utiliser des formes spéciales de coques et des peintures particulières permettant de pallier en partie ce problème. Le principe est de faire un bateau à facettes réfléchissant les ondes électromagnétiques dans toutes les directions en éparpillant la puissance du signal initial émis. L'avion bombardier américain Lockheed F-1l7 est le meilleur exemple de la forme géométrique d'appareils à faible signature radar, mais rendons la création du principe du radar aux chauves-souris ...

Chapitre / Contexte de ['étude

Fig. II-S Détection radar [IDS]

Un troisième type de discrétion est requis pour les bâtiments de combat. C'est la discrétion magnétique. La signature est électromagnétique, mais contrairement à la signature radar, elle se situe aux basses fréquences (de 0 à 3 kHz). Le Laboratoire de Magnétisme du Navire étudie essentiellement les rayonnements magnétiques compris dans ces gammes de fréquences. La discrétion magnétique est nécessaire pour éviter le repérage du bâtiment par un avion équipé de capteurs magnétiques. Ces avions spéciaux mesurent des anomalies du champ magnétique terrestre qui caractérisent la présence d'une masse métallique dans l'eau et non visible à l'œil nu (Fig. II-6). La seconde nécessité d'une discrétion magnétique concerne la prévention contre des mines magnétiques. En effet, celles-ci se déclenchent lorsqu'elles enregistrent une variation locale du champ magnétique terrestre. Par conséquent, un chasseur de mine doit présenter une anomalie magnétique la plus faible possible.

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Ondes électromagnétiques basses Ii"équences

Thèse fNPG

Fig. II-6 Nécessité de la discrétion magnétique des navires

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Chapitre 1 Contexte de l'étude

Il.2.b. Les sources d'anomalie magnétique

Les phénomènes Basses Fréquences (0 - 10 Hzl

La signature magnétique est engendrée par plusieurs éléments à bord du navire [RANNüU 00]. Le plus important est la structure même du navire. En effet, le navire est plongé dans le champ magnétique terrestre. Comme tout matériau fen'omagnétique immergé dans un champ magnétique, la coque et les équipements de bord de même nature s'aimantent (comme des aimants). Ainsi, le bateau lui même rayonne un champ magnétique qui modifie localement le champ magnétique terrestre (Fig. II-7). C'est pourquoi les chasseurs de mines ont des coques en matériaux composites amagnétiques et le minimum d'éléments ferromagnétiques àbord.

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Fig. II-7 Signature d'une maquette de coque de bateau sous l'effet d'un champ magnétique

La coque du bateau fait l'objet d'études très conséquentes pour la rendre discrète. Ceci a fait l'effet d'une thèse soutenue en juin 2001 [CHADEBEC 01]. L'aimantation de la coque sous l'effet du champ terrestre y a été étudiée. Le travail a consisté à prédire le champ rayonné par la coque en reconstituant l'aimantation des aciers de la coq ue à l'aide de mesures ) de champs magnétiques à l'intérieur du navire. Pour rendre la signature la plus faible possible, des systèmes de boucles de courant sont disposés dans le bâtiment. En injectant des courants convenablement asservis dans des bobines, le champ magnétique àl'extérieur est contrôlé et le bateau est rendu discret. Le principe avait été initialement proposé par Louis Néel à la fin de la seconde guerre mondiale, dans le but de faire sortir les navires alliés de la rade de Dunkerque alors infestée de minesàdéclenchement magnétique.

Les effets magnétiques statiques de la coque et de dispositifs passifs ont été convenablement cernés. Mais l'effet de la coque en mouvement dans le champ magnétique terrestre est encore sujet à des études approfondies.

Chapitre 1Contexte de l'étude

Un autre effet local se produit dans les matériaux de la coque et est à l'origine d'anomalies magnétiques. En effet, les propriétés d'oxydoréduction de la coque (acier) et de l'hélice (bronze) engendrent l'apparition de champs électriques et donc de courants se rebouc1ant dans le milieu conducteur qu'est l'eau salée. Ces courants statiques génèrent un champ magnétique perturbateur détectable, au même titre que celui généré par la coque. Il existe également des courants d'extrêmes basses fréquences modulés par la rotation de l'hélice et plus particulièrement par la variation de résistance électrique de l'arbre sur ses roulements. Ces courants très basses fréquences génèrent aussi une anomalie magnétique

o Les phénomènes Movennes Fréquences (10 - 3 kHz)

Avec l'essor du navire tout électrique, de nouveaux éléments susceptibles de perturber le champ magnétique local ont été ajoutés. Les appareils et dispositifs électriques de fortes puissances tels que le réseau électrique du bâtiment, les transformateurs et les moteurs électriques de propulsion sont sources de champs magnétodynamiques et sont à même de modifier le champ magnétique à proximité du navire.

La discrétion du bâtiment se fait avec différents moyens. Le comportement magnétique global de la coque est contrôlé par action sur les courants alimentant les bobines de compensation disposées dans le navire. Mais le contrôle du champ par des bobines est assez complexe et ne peut pas pallier à des variations locales du champ dues aux équipements de bord. Les effets de ces sources sont directement atténués et agissent très peu sur le comportement global de la coque.

11.2.c. Contexte naval de la discrétion magnétique

L'application navale de ces travaux de discrétion magnétique laisse penser qu'une analyse du champ magnétique dans l'eau est nécessaire. Des problèmes de propagation de champs magnétiques en milieu sous marin sont donc àconsidérer. Ce travail est effectué par le Groupe d'Etudes Sous Marines de l'Atlantique (GESMA) basé à Brest et dépendant de la Délégation Générale pour l'Armement (DGA).

Notre travail se situe en amont des études de propagation de champ. Il réside essentiellement dans la caractérisation des sources électromagnétiques des navires. L'étude des champs magnétiques peut donc se faire dans l'air pour spécifier l'intensité et l'orientation des différentes sources. Avec ces résultats, l'étude de la propagation est alors possible.

Les harmoniques sphériques sont aussi utilisées pour la caractérisation de sources magnétiques. Elles présentent une reconstitution des sources magnétiques par des moments magnétiques discrets [LEGRlS92]. Ces harmoniques donnent une identification magnétique du système ferromagnétique étudié, mais n'en donne pas une image physique.

Thèse INPG 12

Chapitre 1 Contexte de l'étude

11.2.d. Objectifs du travail de recherche

La discrétion des appareils électriques de bord nous amène plus particulièrement sur le cas des moteurs de propulsion navale. La recherche effectuée concerne l'étude des champs de fuites externes des moteurs électriques en général. Ces champs externes découlent de l'étude des sources magnétiques donnant une image magnétique de l'objet étudié. La détermination des sources magnétiques demande des modèles mathématiques particuliers pour la modélisation de champs très faibles qui serviront ensuite au dimensionnement d'un système de compensation.

III. Les moteurs électriques

Naturellement, l'étude des champs magnétiques externes créés par un moteur électrique, nous amène à l'étude même du moteur. Dans un premier temps, il est nécessaire d'étudier les différentes technologies existantes de moteurs. Leurs caractéristiques vont permettre de définir quel type de machines est le mieux approprié à la propulsion navale et aux contraintes militaires [MITCHAM 95].

/II.1. Fonctionnement général des différents types de moteurs électriques La fonction du moteur, quelle que soit sa technologie, est de transmettre un mouvement de rotation ou de translation avec une certaine puissance. Un moteur électrique transforme l'énergie électrique en énergie mécanique.

111.1.a. La machine à courant continu

La première machine électrique ayant existé est la machine à courant continu. Le principe est de créer une interaction entre deux systèmes de bobines alimentées au rotor et au stator. Les bobines (ou aimants) au stator sont fixes et créent un champ statique à l'intérieur du mot~ur. Les bobines alimentées du rotor aimantent le matériau ferromagnétique qui interagit avec le champ du stator. L'alimentation des bobines rotoriques se fait de telle sorte que l'aimantation résultante dans le rotor soit orthogonale au champ stator. Ainsi, sur la matière aimantée du rotor, il s'exerce une force magnétique, résultat du couplage entre l'aimantation du fer rotorique et le champ stator. Ces forces produisent donc un couple sur le rotor qui est entraîné en rotation. De façon à garder le même sens de rotation, un collecteur permet de changer les sens des courants dans les conducteurs rotoriques.

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Chapitre1COll texte de ['étude

Collecteur el alimentation du rolor

+

Champ fixe du stator

Forces appliquées aux den ts de part et d'autre des conducteurs du rotor

Fig. III-1 Schéma de principe d'une machine à courant continu

L'inconvénient majeur de cette machine est la maintenance. Eneffet, pour obtenir le champ rotorique, il faut un collecteur pour transmettre le courant dans les conducteurs en rotation. DeG balais frottent sur celui-ci et demandent à être souvent remplacés. Il s'y développe aussi des arcs électriques lors des changements de sens des courants. Ces arcs sont destructifs et sont d'autant plus importants que la machine est de forte puissance. Dans le cadre de la Marine, ce collecteur est très fragile et non recommandé. De plus, il ne supporte pas l'atmosphère salée.

111.1.b. La machine synchrone

La machine synchrone peut être considérée comme une machine à courant continu inversée. En effet, un champ fixe est lié cette fois au rotor et le champ en rotation provient du stator. Le champ tournant à l'intérieur du stator est engendré par une disposition de bobines fixes au stator alimentées par un système de courants alternatifs triphasés. Ce champ tourne perpendiculairement à l'axe du moteur à une vitesse constante dite de synchronisme. Cette vitesse dépend de la fréquence d'alimentation des courants statoriques et du nombre de pôles de la machine. Le rotor va alors être entraîné en rotation à cause de l'interaction entre les deux champs. En revanche, le champ rotorique doit" accrocher" le champ tournant statorique pour être entraîné en rotation à la vitesse de synchronisme et pour y rester. La machine synchrone doit alors être pilotée par un système de contrôle utilisant des interrupteurs statiques et un capteur de position du rotor. Ce système alimente convenablement la machine selon la position du rotor.

Thèse TNPG 14

Chapitre 1 Contexte de l'étude

Le rotor de ce type de machines peut être constitué par des aimants mais aussi par des bobines alimentées par des courants continus. Dans le deuxième cas, il faut une seconde source d'énergie. Il faut aussi prévoir un système bague - balais pour l'alimentation des bobines du rotor. On rejoint ici, dans une moindre mesure, les inconvénients de la machine à courant continu. La machine synchrone à aimants permanents au rotor paraît comme étant la mieux adaptée pour notre application. De plus, les aimants de fortes puissances permettent d'augmenter considérablement la puissance massique des machines.

111.1.c. La machine asynchrone ou à induction

La machine asynchrone est la plus simple de construction et souvent la moms onéreuse. La constitution du stator est la même que pour la machine synchrone. La différence réside seulement dans la constitution du rotor. Dans le champ tournant du stator, on plonge un ensemble de conducteurs en court circuit ou une" cage d'écureuil" (Fig. 1II-2). Par la loi de Lenz, des courants s'y développent par opposition au champ tournant qui les crée. Ces courants dans les barres de la cage vont créer un champ qui va interagir avec le champ tournant et donner naissance à des forces. Celles-ci vont s'exercer sur le rotor, alors entraîné en rotation.

Fig. 1II-2 Rotor de machine asynchrone en cage d'écureuil

Dans le cadre de la discrétion acoustique, le faible entrefer de ces machines engendre un fort niveau de bruit acoustique. Cependant, une première étude de la discrétion magnétique des machines électriques asynchrones a été effectuée sur ce type de machines utilisées comme moteurs auxiliaires de chasseurs de mines [LE COAT 97]. Les résultats sont présentés à la fin de ce chapitre.

Chapitre 1 Contexte de l'étude

111.2. Les machines synchrones à aimants permanents

111.2.a. Avantages pour la propulsion

De tous les types de machines, les machines synchrones à aimants permanents sont de loin les plus intéressantes. L'utilisation d'aimants permanents dans les machines électriques a permis d'augmenter considérablement leur puissance massique. Ces machines répondent àdes critères de robustesse et de fiabilité essentiels pour la Marine. Elles présentent aussi des avantages supplémentaires pouvant être intéressants sur d'autres points de vue :

./ Ces moteurs ne présentent pas de sources d'excitation ce qui élimine un circuit d'alimentation .

./ Il n'y pas de collecteur, d'où un entretien réduit et une robustesse accrue.

./ Le rotor ne présente pas de pertes cuivre et peu de pertes fer. Il en découle une amélioration de l'efficacité et un meilleur rendement.

./ Une diminution potentielle de la masse et de la taille est envisageable par rapport aux machines à induction.

./ Possibilité de fonctionner en mode dégradé.

./ Fort nombre de paires de pôles d'où une faible vitesse nominale de rotation et un entraînement direct envisageable.

Cependant, l'inconvénient de mettre des aimants dans un moteur est d'ordre financier.

En effet, les aimants TelTe rare sont des produits onéreux.

D'un point de vue magnétique, on peut s'intelToger sur la discrétion des moteurs synchrones àaimants permanents. En effet, le fait qu'ils présentent une source d'aimantation permanente dans leur structure les rend moins discrets que les moteurs à rotor bobiné dont on peut supprimer l'alimentation lorsque le moteur ne fonctionne pas. Le tout est de déterminer l'ordre de grandeur de cette indiscrétion potentielle.

En comparaison avec une machine synchrone classique à rotor bobiné, les machines à aimants pern1anents totalisent 4 à 5 fois plus de paires de pôles, ce qui est intéressant pour un moteur de propulsion, lent par définition. L'autre atout pour la discrétion est que l'induction externe décroît d'autant plus vite qu'il y a de paires de pôles [LE COAT 97].

De plus, le gain de poids est d'environ 30%. Ce gain sur le rapport massique est dû à la polarité élevée des machines à aimants permanents, permettant une réduction des épaisseurs de culasse, des rotors et des développantes.

Thèse fNPG 16